微波技術 - 資料和工藝對PCB電路板Dk的影響

隨著 PCB電路板 丹麥, it is more and more difficult to control the phase consistency of printed circuit board (PCB) 材料. 準確預測電路板資料的相變不是一項簡單或例行的任務. The signal phase of high frequency and high-speed PCB depends largely on the structure of the transmission line processed by it and the dielectric constant (DK) of the circuit board 材料. The lower the Dk of the medium (for example, 空氣的Dk約為1.0), 電磁波傳播得越快. 隨著Dk的新增, 波的傳播速度會减慢, 這種現象也會影響傳播訊號的相位響應. 當傳播介質的Dk改變時, 波形相位將發生變化, 因為較低或較高的Dk將使傳播介質中的訊號速度相應地更快或更慢.

資料的PCB電路DK通常是各向異性的，在長度、寬度和厚度的3維（3D）中具有不同的DK值（對應於x、Y和Z軸）。 對於某些特殊類型的電路設計，不僅需要考慮Dk的差异，還需要考慮電路製造對相位的影響。 隨著PCB工作頻率的新增，相位穩定性和可預測性將變得越來越重要，尤其是在微波和毫米波頻率下，如第五代（5G）蜂窩無線通訊網絡基礎設施設備和電子輔助車輛中的高級駕駛輔助系統（ADAS）。

那麼，是什麼導致電路板資料的Dk發生變化呢? 在某些情况下, differences in The Dk on the PCB are caused by the 材料 itself (e.g. changes in copper surface roughness). 在其他情况下, PCB製造 流程也可能導致DK更改. 此外, a harsh 工作環境 (such as high working temperature) can also cause PCB circuit Dk to change. 通過瞭解資料的特性, 制造技術, working environment, 均勻Dk試驗方法, 以及其他方面來研究PCB DK是如何變化的. 以這種管道, 可以更好地理解和預測PCB的相位變化, 其影響可以最小化.

各向異性是電路板資料的一個重要性質，Dk的性質與3維數學中的張量非常相似。 3個軸上的Dk值不同，導致3維空間中的電通量和電場強度不同。 根據電路中使用的傳輸線類型，具有耦合結構的電路的相位可以通過資料的各向異性改變，並且電路的效能取決於電路板資料上相位的方向。 一般來說，電路板資料的各向異性會隨板的厚度和工作頻率而變化，Dk值較低的資料各向異性較小。 填充增强也有助於這種變化：具有玻璃纖維增强的PCB資料通常比沒有玻璃纖維增强的PCB資料具有更大的各向異性。 當相位是關鍵名額且PCB的Dk是電路設計建模的一部分時，描述和比較兩種資料之間的Dk值應適用於同一方向軸上的Dk。 有關改變PCB資料Dk的各種因素（包括測量方法）的更多詳細資訊，請參閱羅傑斯的網絡研討會“瞭解電路資料和製造如何影響PCB電路Dk變化和相位一致性（瞭解PCB資料和制造技術如何影響PCB電路Dk變化和相位一致性”）。

深入瞭解設計Dk

電路的有效Dk取決於電磁波如何在特定類型的傳輸線中傳播。 根據傳輸線的不同，一部分電磁波將通過PCB的介電材料傳輸，另一部分將通過PCB周圍的空氣傳輸。 空氣的Dk值（約1.00）低於任何電路資料的Dk值，囙此有效Dk值本質上是一個組合Dk值，它由傳輸線導體中傳播的電磁波、介質資料中傳播的電磁波和基座周圍空氣中傳播的電磁波的組合作用决定。 “設計Dk”旨在提供比“有效Dk”更實用的Dk，因為它考慮了不同輸電線路科技、製造方法、電線甚至用於量測Dk的測試方法的綜合影響。 設計Dk是在以電路形式測試資料時選取的Dk，也是用於電路設計和模擬的最合適的Dk值。 設計Dk不是電路的有效Dk，而是通過量測有效Dk確定的資料Dk，設計Dk可以反映電路的真實效能。

不同厚度PCB介質資料的導體銅箔表面粗糙度對設計PCB電路DK的相位響應有不同的影響. 基板較厚的資料通常較少受到銅箔導體表面粗糙度的影響. 即使對於表面粗糙的銅箔導體, 設計Dk值更接近基材的中間Dk. 例如, 羅傑斯6.6密耳 RO4350B電路板資料的平均設計Dk為3.8至40GHz時為96. 對於厚度為30密耳的相同資料, 設計Dk降至平均3.68在同一頻率範圍內. When the 材料 substrate thickness is doubled again (60 mils), 設計Dk為3.66, 這是玻璃纖維增强層壓板介質的固有Dk.

從以上示例可以看出，較厚的基板受銅箔粗糙度的影響較小，設計Dk值相對較低。 然而，如果使用較厚的電路板來產生處理電路，尤其是在具有較小訊號波長的毫米波頻率下，則更難保持訊號幅度和相位的一致性。 高頻電路通常更適合較薄的電路板，其中資料的介質部分對設計Dk和電路效能的影響較小。 較薄PCB基板的訊號損耗和相位效能更受導體的影響。 在毫米波頻率下，就電路資料的設計Dk而言，它們對導體特性（如銅箔表面粗糙度）也比較厚的基板更敏感。

如何選擇傳輸線電路

在射頻/微波和毫米波頻率下，電路設計工程師使用傳統的傳輸線科技，如微帶、帶狀和接地共面波導（GCP）。 每種科技都有不同的設計方法、設計挑戰和相關優勢。 例如，GCPW電路耦合行為的差异將影響電路設計DK。 對於緊密耦合的GCPW電路，以及具有緊密間距的傳輸線，可以通過在共面耦合區域之間使用空氣和最小化損耗來實現更有效的電磁傳播。 通過使用更厚的銅導體和更高的耦合導體側壁，在耦合區域使用更多的空氣路徑可以最大限度地减少電路損耗，但更重要的是瞭解减少銅導體厚度的相應效果。

許多因素會影響給定電路和電路板資料的設計Dk. 例如, the temperature coefficient Dk (TCDk) of circuit board 材料 is used to measure the influence of working temperature on design Dk and performance. TCDk值越低意味著電路板資料對溫度的依賴性越小. 類似地, high relative humidity (RH) can increase the design Dk of circuit board 材料, 特別是高吸濕性資料. 電路板資料的特性, 電路制造技術, 工作環境中的不確定性都會影響設計 PCB電路板 資料Dk. 只有瞭解這些特性並在設計過程中加以考慮，才能將其影響降至最低.